車載電子設(shè)備環(huán)境試驗順序的方案設(shè)計

文/盧兆明 馬會凱

ISO 16750《道路車輛電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗》系列國際標準的國家標準轉(zhuǎn)化工作已結(jié)稿，進入標準報批程序。該系列標準所涵蓋的環(huán)境試驗、試驗方法及引用的國際標準已被國際較為著名汽車制造商，如VW、GM等公司直接引用為企業(yè)標準。轉(zhuǎn)化后的國家標準（下文簡稱“標準”）發(fā)布實施后，將規(guī)范現(xiàn)有國內(nèi)車載電子設(shè)備的環(huán)境試驗和要求，統(tǒng)一相關(guān)產(chǎn)品的一系列質(zhì)量評估標準，將把國內(nèi)車載電子設(shè)備的標準提升到國際水平。

標準的第1部分給出了車載電子設(shè)備環(huán)境試驗和要求的總體框架，后4個部分依次給出了供電、機械（力學）、氣候和化學分類環(huán)境試驗和要求。該標準屬推薦性標準，它在規(guī)定試驗和判據(jù)準則的同時，在嚴酷度等級等要素上都給出若干選項，供產(chǎn)品規(guī)范制訂者選用，或由產(chǎn)品的供需雙方協(xié)議。但標準在描述環(huán)境試驗和要求時并沒有表述這些試驗間的應(yīng)力積聚問題。只是在標準的末尾加了一章，說明“整體結(jié)構(gòu)性文件”的組成，應(yīng)與第1部分一般規(guī)定同時參照使用。也就是需要通過對試驗的設(shè)計、試驗報告的編制直至最后評估結(jié)論文件的形成等所有要素進行整合，才能達到設(shè)定目標。

環(huán)境試驗應(yīng)力的積聚效應(yīng)是讓一個（組）樣品經(jīng)受某一項環(huán)境試驗和經(jīng)受一套按已設(shè)計的試驗方案順序進行的一系列環(huán)境試驗后的累積，由此得到的試驗結(jié)果和評估結(jié)論是不一樣的。

標準第1部分的附錄A給出了環(huán)境試驗順序方案示例，同時還給出了機械和氣候環(huán)境試驗順序示意圖。示意圖中共列出了13個試驗環(huán)節(jié)，其中有2個參數(shù)測試環(huán)節(jié)、1個壽命試驗環(huán)節(jié)、6個氣候環(huán)境（含外來物防護）試驗環(huán)節(jié)及3個機械環(huán)境試驗環(huán)節(jié)。該圖還明確了附加試驗在整個試驗順序中的位置。

由于標準給出的整套試驗順序基本上是串聯(lián)的設(shè)計（如圖1），試驗對受試樣品的要求是比較嚴酷的。完成整套試驗的時間周期也比較長，試驗代價不菲。因此，在初始和末位各安排一次常溫性能測試較為合理，可以使全套試驗數(shù)據(jù)具有更高的實用評估價值。

一、受試樣品的成組基數(shù)

標準示例給出的受試樣品成組基數(shù)為10個樣品。也就是說，若要按ISO 16750標準完成汽車電子電氣全套環(huán)境試驗的合格性評定，投試樣品至少10個。當然，在研發(fā)階段的驗證和抽樣檢查中，可另制訂相應(yīng)的試驗方案和確定受試樣品的數(shù)量。

作為完整的試驗方案，還應(yīng)制訂受試樣品在試驗中可能發(fā)生失效的預(yù)案，或確定補充方案和備試樣品的數(shù)量，保證整套順序試驗的有效性。

二、前置試驗順序

1.準備受試樣品10個（一組）

2.參數(shù)測試

按有關(guān)規(guī)范進行性能參數(shù)測試。在順序環(huán)境試驗的最后還要進行一次完全相同的性能參數(shù)測試，數(shù)據(jù)比較結(jié)果作為評價的最終依據(jù)。

3.溫度梯度測試

溫度梯度測試用于檢查機械和電氣裝置在工作溫度范圍內(nèi)發(fā)生故障的溫度區(qū)間，它的屬性更接近于緩變型溫度變化試驗，它為受試樣品提供一種模擬人工時效的過程方法。在順序試驗的初始段和末尾段進行溫度梯度測試比較，能進一步反映經(jīng)一系列疊加試驗后，樣品的前后性能變化。

三、試驗順序

按下列順序進行環(huán)境試驗。

1.自由跌落試驗

從10個一組樣品中取3個樣品受試，另7個輪空。自由跌落試驗是用受試樣品模擬在生產(chǎn)或裝車過程中跌落到地面（如在汽車生產(chǎn)線上）的過程，然后作為正常零件進行安裝，由此跟蹤檢查其可能留有的隱患。

本試驗可能會造成機械損傷，如裂紋等，這類損傷可能是隱性的。隱性損傷的影響可以在后續(xù)的試驗中顯露出來。失效模式為直接或隱性的機械損壞。

2.機械沖擊試驗

從以上10個一組樣品中取5個樣品受試，其中包括經(jīng)歷了自由跌落試驗的3個受試樣品，另5個進入壽命試驗。

機械沖擊試驗是檢驗受試樣品承受關(guān)閉車門引起的機械沖擊、受車身或車架沖擊、換檔沖擊、氣液動助力操作引起沖擊的能力。失效模式為直接或隱性的機械損壞。

至此，受試樣品已經(jīng)經(jīng)歷了順序試驗中烈度最強的兩項試驗。累積了自由跌落試驗1m高度落到地面產(chǎn)生的高加速度應(yīng)力以及最大500 m/s加速度和最多達100 000次的重復(fù)沖擊應(yīng)力。受試樣品結(jié)構(gòu)造成顯性失效，如功能缺失或明顯下降，將退出試驗；而隱性損傷，如裂紋等，將繼續(xù)承受氣候環(huán)境試驗的考核。

3.溫度循環(huán)試驗

將5個經(jīng)歷了機械沖擊試驗的樣品投試。

本試驗方法包括規(guī)定變化率的溫度循環(huán)試驗和規(guī)定轉(zhuǎn)換時間的快速溫度變化試驗方法，其溫度變化范圍從-40℃～160℃，規(guī)定變化率的溫度循環(huán)試驗在標準第4部中還規(guī)定“帶電工作”。兩種試驗都是由常溫——低溫——高溫——常溫形成一個溫度循環(huán)。

①低溫試驗中的主要損傷

——材料脆化：在塑料材料和部分合金材料上都可能出現(xiàn)；

——物理性收縮：由于收縮直接造成機械損傷；

——結(jié)構(gòu)損傷：由于材料脆化而引起的裂紋、強度減弱和開裂。

② 高溫試驗中的主要損傷

——材料老化、軟化和軟融化分解和升華：在塑料材料和合成上都可能出現(xiàn)；

——物理性膨脹：由于膨脹直接造成機械損傷；

——結(jié)構(gòu)損傷：由于材料老化和膨脹而引起的裂紋、強度減弱和開裂；

——發(fā)生氧化或化學反應(yīng)。

在溫度循環(huán)試驗中，經(jīng)過溫度循環(huán)試驗的熱傳遞過程，受試樣品和試驗箱會交替出現(xiàn)局部凝露現(xiàn)象。一些凝露水會積聚在結(jié)構(gòu)縫隙內(nèi)或通過毛細現(xiàn)象滲入微觀裂縫中，這些凝露還可能由于溫度變化產(chǎn)生“呼吸”效應(yīng)進入受試產(chǎn)品或元件的內(nèi)部。這些留存的水在進入低溫時同樣會結(jié)冰、膨脹，進而產(chǎn)生或擴大裂縫，降低結(jié)構(gòu)強度，甚至直接造成樣品損壞和失效。進入內(nèi)部的水或水分子還可能導致電氣故障或電性能降低等顯性損傷，甚至可能發(fā)生腐蝕和電腐蝕等隱性損傷。

兩種溫度循環(huán)試驗中，受試樣品帶電工作的規(guī)定變化率的溫度循環(huán)試驗也同屬老化試驗范疇，不帶電工作狀態(tài)下快速溫度變化試驗則更接近加速試驗的方法。

經(jīng)歷了自由跌落試驗和機械沖擊試驗的樣品，在溫度變化的試驗中，若被發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)或功能明顯缺失或明顯下降，則判為顯性失效，該樣品將退出試驗；若存在隱性損傷，對其試驗條件嚴酷度將被提升。

4.防塵和防水試驗

將5個經(jīng)歷了溫度循環(huán)試驗的樣品投試。

防塵和防水（即外來物防護）試驗是更為直接地讓破壞性媒質(zhì)（塵/水/外來物-手指/金屬絲/其它物品/項鏈/戒指）直接介入到受試樣品內(nèi)部，主要可能導致：

① 直接造成電氣故障或電性能降低等顯性損傷；

② 塵、水外來物導致發(fā)生腐蝕和電腐蝕等隱性損傷；

③ 塵、水外來物夾留在縫隙中，在后續(xù)試驗中導致顯性損傷。

5.鹽霧試驗

將5個經(jīng)歷了防塵和防水試驗的樣品投試。

鹽霧試驗是檢驗受試樣品抵御鹽霧和鹽水侵蝕的能力。主要可能導致的損害有：化學反應(yīng)、腐蝕、電氣腐蝕、裝飾表面或電氣接觸表面劣化、漏電及接觸電阻增大。

鹽霧腐蝕可以直接損傷受試樣品，造成失效；也可以造成隱性損傷，在后續(xù)試驗中導致顯性損傷。

6.濕熱循環(huán)試驗

將5個經(jīng)歷了鹽霧腐蝕試驗的樣品投試。

標準第4部分規(guī)定的濕熱循環(huán)有2種試驗方法。其規(guī)定的相對濕度（RH）為（93±3）%，較高時達到90%～100%。由于溫度的變化和箱內(nèi)溫度波動因素，凝露是不可避免的。試驗期間受試樣品由于溫度的變化，產(chǎn)生呼吸效應(yīng)（當殼內(nèi)空氣溫度下降時，外部高濕氣體就會被吸入）。經(jīng)過-10℃的循環(huán)，屆時無論在內(nèi)/外部表面，還是在接線端子、印制板和元件的內(nèi)部和外部、溝槽和裂縫中所有的水和水汽都將結(jié)成冰，對部件直接造成結(jié)構(gòu)損傷。

留在受試樣品內(nèi)部表面的水或水汽，不易被蒸發(fā)或干燥。從而導致由潮濕引起的電氣故障，例如，印制電路板因潮濕產(chǎn)生的漏電流，造成受試樣品直接失效。

高濕環(huán)境還會造成：膨脹、機械強度減低、化學反應(yīng)、腐蝕、電腐蝕、絕緣體的導電率增加。這些因素都可以構(gòu)成對受試樣品的直接或間接的損傷。

7.振動試驗

將5個經(jīng)歷了濕熱循環(huán)試驗的樣品投試。

標準第3部分規(guī)定的振動試驗有3種試驗方法，分別是正弦振動、隨機振動，以及將正弦振動疊加在隨機振動譜線上的混合振動。要說明的是正弦振動、隨機振動要分別經(jīng)歷兩個各自的試驗持續(xù)時間，而混合振動是兩個試驗譜形的疊加，只需經(jīng)歷一個試驗持續(xù)時間。無論采用哪一種方法進行振動試驗，試驗的全過程都需疊加溫度循環(huán)試驗（同3）。

振動試驗的損傷破壞機理是疲勞。標準第3部分規(guī)定的振動試驗嚴酷度等級的確定，從理論上分析，明顯帶有耐久性試驗的屬性。因為標準第3部分規(guī)定的振動試驗持續(xù)時間是結(jié)合車輛行駛路面條件和等效里程確定推導得出的。

將帶有前期試驗經(jīng)歷的受試樣品，進行耐疲勞的振動試驗，同時疊加溫度循環(huán)，在高溫段還要保持通電工作狀態(tài)。并在低溫段結(jié)束前檢查性能。

在順序試驗中，振動試驗排在較后的位置。通過振動試驗疊加溫度循環(huán)試驗，前期積聚的應(yīng)力和損傷累積將集中顯性化。

8.穩(wěn)態(tài)濕熱試驗

將5個經(jīng)歷了振動試驗的樣品投試。

標準第4部分規(guī)定的濕熱循環(huán)有2種試驗方法，即RH在（93±3）%或（85±3）%條件下，歷時21天。其失效機理和模式類同于濕熱循環(huán)。

四、后續(xù)試驗順序

1.再次溫度梯度測試；

2.再進行完整的常溫性能測試；

3.結(jié)論報告。

將測試結(jié)果與順序氣候試驗前的初始檢測資料進行對照，可以得到完整客觀的評估報告。

五、可選附加試驗

1.壽命試驗

壽命試驗或稱耐久性試驗與環(huán)境試驗有許多相似的試驗條件，但試驗設(shè)計的理論支撐不同，需要另行設(shè)計試驗。耐久性試驗不屬于標準的涉及范圍。

2.其它附加試驗

附加試驗，如低溫儲存試驗、低溫帶電工作試驗、高溫儲存試驗和高溫帶電工作試驗、冰水沖擊試驗、流動混合氣體腐蝕試驗等在標準中列出，但未編入順序試驗的試驗項目，可以由供需雙方協(xié)議編入選項。

外表強度試驗、劃痕試驗、耐磨性能試驗、砂石轟（撞）擊試驗及太陽光輻射試驗，標準當前版本并沒有給出規(guī)范的試驗要求和試驗方法，可以定義為附加試驗范疇。

受試樣品專有屬性確定的試驗/測試項目和方法將由專業(yè)標準或有關(guān)規(guī)范給出，或歸入?yún)?shù)測試，或歸屬于附加試驗。

防塵和防水（外來物防護）試驗，雖然劃出大部分到已在立項國家標準轉(zhuǎn)化的ISO 20653《道路車輛-防護等級（IP代碼）-電器設(shè)備對外來物、水和接觸的防護》中，仍屬標準第4部分引用。標準第4部分也保留了部分有特色的試驗。

壽命試驗和附加試驗，凡納入標準規(guī)定的試驗順序，或以標準名義進行的試驗，在進入試驗順序之前和之后都應(yīng)進行參數(shù)測試和溫度梯度測試。

標準規(guī)定的機械和氣候環(huán)境試驗基本上都采用了IEC 60068-2/GB/T 2423《環(huán)境試驗第2部分試驗方法》系列標準中的試驗方法。根據(jù)該系列標準的理念可以解讀本環(huán)境試驗順序方案，也可加深對標準中機械和氣候環(huán)境試驗的理解。參考文獻列出了相關(guān)的現(xiàn)行標準。

六、綜述

標準給出的環(huán)境試驗順序方案，應(yīng)該理解為是一個框架型方案，也許不能滿足某一產(chǎn)品的具體要求，但如果理解方案的設(shè)計原理，有關(guān)規(guī)范的編寫者就能設(shè)計出符合標準要求的試驗順序。

一般環(huán)境試驗的順序試驗設(shè)計分為幾種類型：

1.研發(fā)試驗

通常用于研究樣機的性能。為了從試驗順序的某幾項試驗獲得有關(guān)故障趨勢的資料，先從最嚴酷的試驗開始。總體上將可能導致試驗樣品無法承受進一步試驗的順序試驗項目放在稍后。

2.研究性試驗

通常用于研究樣機的性能適用于有限數(shù)量試驗樣品。為了在試驗樣品損壞前取得盡可能多的資料，試驗順序應(yīng)以最不嚴酷的試驗開始，如非破壞性試驗。

3.標準化型式試驗

采用能給出最完整的標準化試驗順序，某些試驗可暴露前一些試驗所引起的損壞。結(jié)論將用于正式評估文件結(jié)論。

4.使用條件完全已知的試驗

采用的試驗順序能模擬實際上最可能出現(xiàn)的環(huán)境順序。

標準第1部分給出的環(huán)境試驗順序方案，應(yīng)屬于標準化試驗。設(shè)計的試驗順序注重累積效應(yīng)，而且采用了最不利受試樣品的順序設(shè)計。

盡管有了環(huán)境試驗順序方案，有關(guān)規(guī)范的編寫者還必須選擇和確定每種試驗采用的具體試驗方法和嚴酷度等級，并規(guī)定如下每個具體試驗：

①預(yù)處理：具體的條件和時間；

②初始檢查/測：具體的檢查/測項目、方法和順序；

③中間檢查/測：具體的檢查/測項目、方法和順序；

④受試樣品的工作狀態(tài)：具體模式和要求；

⑤恢復(fù)：具體的條件和時間；

⑥最終檢查/測：具體的檢查/測項目、方法和順序；

⑦評價準則：具體的項目、指標和典型判據(jù)。

必要時，還應(yīng)給出試驗設(shè)備的具體要求和操作要點；規(guī)定試驗過程記錄的要素及保證試驗可操作、可再現(xiàn)、可比較的評估結(jié)論要素。

同樣，選做了系列標準中規(guī)定的某一項或某幾項試驗，就認為該受試樣品符合標準的要求是不負責任的。因為，通過完整的順序試驗與僅進行部分指定的試驗項目，對受試樣品的應(yīng)力負荷所產(chǎn)生的累積效應(yīng)是完全不同的。

[1]IEC 60068-2-1:2007《環(huán)境試驗 試驗A:低溫》（IDT，GB/T 2423.1-2008）.

[2]IEC60068-2-2:2007《環(huán)境試驗 試驗B:高溫》（IDT，GB/T 2423.2-2008）.

[3]IEC 60068-2-78:2001《環(huán)境試驗 試驗Cab:恒定濕熱試驗》（IDT，GB/T 2423.3-2006）.

[4]IEC 60068-2-30:2005《環(huán)境試驗 試驗Db:交變濕熱試驗方法》（IDT，GB/T 2423.4-2008）;

[5]IEC 60068-2-60:1995《環(huán)境試驗 試驗方法 試驗Ke:流動混合氣體腐蝕試驗》（IDT，GB/T 2423.51-2000）.

[6]IEC 60068-2-11:1981《環(huán)境試驗 試驗Ka:鹽霧試驗方法》（IDT，GB/T 2423.17-2008）.

[7]IEC 60068-2-52:1996《環(huán)境試驗 試驗Kb:鹽霧，交變(氯化鈉溶液)》（IDT，GB/T 2423.18-2000）.

[8]IEC 60068-2-38:1974《環(huán)境試驗試驗Z/AD:溫度/濕度組合循環(huán)試驗》（IDT，GB/T 2423.34-2005）.

[9]IEC 60068-2-80:2005《環(huán)境試驗 試驗Fi:振動混合模式》（IDT，GB/T 2423.58-2008）.

[10]IEC 60068-2-6:2007《環(huán)境試驗 試驗Fc:振動（正弦）》（IDT，GB/T 2423.10修訂中）.

[11]IEC 60068-2-27:2008《環(huán)境試驗 試驗Ea和導則:沖擊》（IDT，GB/T 2423.5修訂中）.

[12]IEC 60068-2-31:2008《環(huán)境試驗 試驗Ec:粗率操作造成的沖擊》（IDT，GB/T 2423.7修訂中）.

[13]IEC 60068-2-64:2008《環(huán)境試驗 試驗Fh:寬帶隨機振動和導則》（IDT，GB/T 2423.58修訂中）.

[14]IEC60068-2-14:2009《環(huán)境試驗 試驗N:溫度變化》（IDT，GB/T 2423.22修訂中）.

[15]ISO16750 《（所有部分）道路車輛電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗》國家標準制訂項目編號:20068337-341.盧兆明，譯.環(huán)境技術(shù)（雙月），2007（1～6）.

[16]ISO 20653:2006 《道路車輛防護等級(IP代碼)電器設(shè)備對外來物、水和接觸的防護》國家標準制訂項目編號:20090039-T-339，盧兆明，譯.廣州：環(huán)境技術(shù)（雙月），2008（1～2）.

[17]盧兆明.車載電子電器設(shè)備的溫度變化試驗[J].廣州：環(huán)境技術(shù)（雙月），2009（5）.